PL225352B1 - Materiał kompozytowy do izolacji termicznej przewodów i sposób jego wytwjarzania - Google Patents

Abstract

Materiał kompozytowy do izolacji termicznej przewodów, zwłaszcza preizolowanych, składa się z warstwy termoizolacyjnej (2) o niskim współczynniku przewodzenia ciepła, zaopatrzonej w osnowę (3), mającą postać przestrzennej struktury, otaczającej wewnętrzną rurę medialną (1). Sposób wytwarzania materiału kompozytowego do izolacji termicznej przewodów cechuje się tym, że na wewnętrzną rurę medialną (1) nakładana jest przestrzenna osnowa (3) wykonana z materiału elastycznego korzystnie polietylenu, następnie na taką strukturę nakładana jest zewnętrzna rura osłonowa (4) a w następnej kolejności do środka przewodu, to jest pomiędzy rurę medialną (1) a zewnętrzną rurę osłonową (4) wprowadzany jest materiał termoizolacyjny (2) korzystnie poliuretan.

Description

Przedmiotem wynalazku jest nowy materiał kompozytowy do izolacji termicznej instalacji grzewczych w tym w szczególności do zastosowania w preizolowanych rurach giętkich.

W znanym stanie techniki występują rozwiązania dotyczące przewodów izolowanych stosowanych w szerokorozumianym ciepłownictwie w których występuje kilka warstw różnego rodzaju materiałów izolacyjnych. W występujących na rynku rozwiązaniach jako warstwę zewnętrzną stosuje się najczęściej polietylen, gumę lub piankę z żywicę melaminowej. Z kolei jako warstwę wewnętrzną wyk orzystuje się najczęściej poliuretan.

Niemieckie zgłoszenie wynalazku DE102004059677 ujawnia termicznie izolowany przewód rurowy, w szczególności do stosowania w miejskich sieciach ciepłowniczych, wyposażony w co najmniej dwie warstwy izolacyjne, z których wewnętrzna warstwa ma niższy współczynnik sprężystości niż warstwa zewnętrzna, co zapewnia podwyższoną odporność na pękaniu przy zginaniu izolowanej rury.

Europejskie zgłoszenie EP0915279 ujawnia rozwiązanie w którym rura przewodząca medium w postaci płynu znajduje się wewnątrz karbowanego peszla wykonanego z elastycznego tworzywa pokrytego warstwą izolacyjną wykonaną z pianki poliuretanowej zabezpieczonej zewnętrzną osłoną.

Z publikacji opisu patentu międzynarodowego WO2000066934 znane jest rozwiązanie w którym przewód otoczony jest termoizolacyjną strukturą umieszczoną wokół centralnej rury a struktura ta zawiera warstwę składającą się z oddzielnych profili stałych mających postać podłużnych wstęg o długim skoku i maksymalnym kącie nawijania mniejszym niż trzydzieści stopni względem osi wzdłużnej.

Z publikacji kanadyjskiego opisu wynalazku CA1233764 znane jest rozwiązanie w którym zewnętrzna termoizolacyjna warstwa zaopatrzona jest w nacięcia poprzeczne ułatwiające zginanie przewodu.

Niedogodnością znanych rozwiązań jest znaczna całkowita grubość przewodu spowodowana nałożeniem na siebie kilku warstw materiałów izolacyjnych. Taka struktura powoduje usztywnienie przewodu i istotne problemy przy jego zginaniu spowodowane koncentracją naprężeń punktowych. Znane rozwiązania w zasadzie oscylują wokół dwóch skrajnych parametrów którymi są albo niski współczynnik przewodzenia ciepła implikujący sztywność przewodu i podatność na niepożądane uszkodzenia przy zginaniu albo wysoką elastyczność i wysoki współczynnik przewodzenia ciepła a zatem gorszą termoizolacyjność.

Celem rozwiązania według wynalazku jest opracowanie takiej struktury, aby przy uzyskaniu maksymalnie dobrego współczynnika izolacji termicznej uzyskanej przez zastosowanie materiału termoizolacyjnego, przykładowo poliuretanu, zabezpieczyć izolowany przewód przed powstawaniem, w wyniku jego przeginania, niekontrolowanych, przypadkowych, punktowych pęknięć powodujących mostki termiczne. Dzieje się tak bowiem materiały będące dobrymi termoizolatorami są z reguły jednocześnie stosunkowo kruche.

Zadaniem niniejszego wynalazku jest opracowanie takiej struktury otaczającej rurę z medium aby zapewnić wysoką elastyczność całego przewodu zachowując jednocześnie niski współczynnik przewodzenia ciepła (dobrą termoizolacyjność). W tym celu konieczne jest wyeliminowanie zjawiska powstawania niekontrolowanych pęknięć warstwy termoizolacyjnej przewodu podczas jego gięcia, a także w trakcie jego produkcji, transportu lub przechowywania. Wymaga zauważenia, że nie tylko w trakcie instalacji przewodów następuje ich zginanie. Również technologia produkcji długich odcinków rur preizolowanych jest związana z ich zginaniem i zwijaniem w zwoje lub nawijaniem na bębny, gdyż w takiej postaci produkty te są transportowane i przechowywane.

Istotą rozwiązania według wynalazku jest uzyskanie niskiego współczynnika przewodzenia ciepła i zwiększenie odporności całej struktury na niekontrolowane pęknięcia. Osiągnięcie tego celu zapewnia wprowadzenie osnowy w postaci siatki lub innej struktury, która w sposób kontrolowany i w ybiórczy zapewnia osłabienie sztywnej warstwy izolacji, determinując miejsca w których mogą powstać szczeliny i w których to miejscach znajduje się materiał o wysokiej sprężystości. W ten sposób eliminuje się powstawanie niekontrolowanych, przypadkowych pęknięć w trakcie zginania przewodu. Taka struktura umożliwia rozłożenie naprężeń punktowych na dłuższy odcinek przewodu. Opisywany kompozyt, składa się z co najmniej dwóch, połączonych ze sobą materiałów o zróżnicowanych własnościach fizykochemicznych. Połączenie w jednym przewodzie takich materiałów zapewnia w efekcie produkt łączący dwie przeciwstawne właściwości. Po pierwsze przewód wykonany z kompozytu według wynalazku cechują znakomite własności termoizolacyjne. Po drugie przewód zachowuje jednocześnie wysoką elastyczność i odporność na powstawanie niepożądanych pęknięć. Przedmiotowy kompozyt ma przestrzenną, trójwymiarową strukturę, w której skład wchodzi materiał termoizolacyjny

PL 225 352 B1 cechujący się znaczną sztywnością, brakiem elastyczności oraz materiał bardzo elastyczny i miękki o gorszych własnościach izolacyjnych, ale poprawiający elastyczność całego kompozytu. Przykładowo materiałem dużej sztywności i niskim współczynniku przewodzenia ciepła jest poliuretan a materiałem o wysokiej elastyczności jest polietylen spieniony.

Materiały cechujące się tymi dwoma parametrami połączone są z sobą w ten sposób, aby stworzona, przestrzenna struktura powodowała uporządkowane, miejscowe osłabienia sztywnej warstwy izolacyjnej przez elastyczną warstwę tworzącą osnowę dla warstwy izolacyjnej. Osnowa wykonana z warstwy elastycznej tworzy swoiste karby, powodujące miejscowe osłabienie struktury, które w momencie przegięcia przewodu czy rury, prowadzą do kontrolowanego tworzenia mikrodylatacji poprzez powstawanie mikropęknięć, które jednak nie tworzą mostków termicznych, w ściśle określonych i przewidywalnych miejscach. W miejscach mikrodylatacji nie powstaje jednak pustka, lecz występuje elastyczny materiał osnowy, przykładowo poliuretan, z którego może być wykonana osnowa. Ma to na celu maksymalne ograniczenie niekorzystnego zjawiska powstawania niekontrolowanych pęknięć warstwy izolacyjnej tworzących mostki termiczne.

Warstwa termoizolacyjna w kompozycie według wynalazku zaopatrzona jest w osnowę, mającą charakter elastycznego zbrojenia zatopionego w materiale warstwy termoizolacyjnej. Osnowa ta ma postać przestrzennej struktury wzajemnie przenikających się elastycznych kształtowników, poprowadzonych linią spiralną, warstwowo przeciwbieżnie. Możliwe jest także zastosowanie innej formy geometrycznej w taki sposób, aby w chwili gięcia przewodu wyodrębnić i zaprogramować kontrolowany sposób załamywania się sztywnej warstwy materiału izolacyjnego, który zostanie podzielony na mniejsze segmenty czy lamelki w miejscu przebiegu linii osnowy. W strukturze według wynalazku, zbrojenie (osnowa) z elastycznego profilu zapewnia większą elastyczność całego przewodu determinując kontrolowane powstawanie mikrodylatacji w materiale termoizolacyjnym o wyższej sztywności. Poprzez odpowiednie ukształtowanie osnowy możliwe jest determinowanie miejsc powstawania mikrodylatacji sztywniejszego materiału o wysokiej termoizolacyjności. Przewód według wynalazku może mieć, w zależności od ukształtowania osnowy w szczególności od takich jej parametrów jak kształt i gęstość splotu, zróżnicowaną termoizolacyjność i odporność na zginanie. Przykładowo, w przypadku osnowy w postaci helisy istotny jest skok linii śrubowej. Im mniejszy skok (gwint drobnozwojny) tym większa elastyczność preizolacji, ale gorsza izolacyjność termiczna z uwagi na większą ilość materiału elastycznego w proporcjach całego kompozytu.

Kompozyt według wynalazku może także posiadać przestrzenną strukturę opartą na lamelkach lub łuskach wykonanych z sztywnego materiału o bardzo dobrych własnościach izolacyjnych. W takiej strukturze lamelki są rozdzielone miękką, elastyczną warstwą innego materiału, tworzącego jego osnowę (warstwę łączącą). Praca takiej struktury zapewnia wysoką elastyczność i niski współczynnik przewodzenia ciepła. Struktura opisywanego kompozytu jest odpowiednikiem zbroi łuskowej, lamelkowej lub karaceny o wysokiej elastyczności, która nie krępowała ruchów, a dawała skuteczną ochronę w tym wypadku mechaniczną. Elementy osnowy wykonane z materiału elastycznego mogą mieć formę prostopadłościanów, ostrosłupów ściętych, płytek lub zachodzących na siebie kółek.

Osnowa, może być zatopiona w warstwie termoizolacyjnej bez styku z rurą medialną, jednak korzystniej jest gdy osnowa (zbrojenie) styka się bezpośrednio z rurą medialną, dzieląc warstwę o dobrej izolacyjności kilkoma liniami śrubowymi. Innymi słowy - rura medialna w najbliższej warstwie jest izolowana paskami, wykonanymi przykładowo z poliuretanu rozdzielonymi materiałem osnowy wykonanej przykładowo z polietylenu. Następna warstwa jest wykonana w sposób analogiczny ale z przeciwną linią śrubową. Paski poliuretanu w niższej i wyższej warstwie stanowią całość. Siatka przestrzennej osnowy z elastycznego materiału tworzy karby osłabiające sztywny poliuretan, a co za tym idzie determinuje planowany sposób pękania i tworzenia mikropęknięć w przypadku konieczności mocniejszego zgięcia rury preizolowanej.

Osnowa może mieć postać spiralnego drutu z tworzywa sztucznego, żyłek, pasków albo kształtowników lub postać siatki utworzonej z kilku warstw spiralnego drutu, żyłek albo pasków w postaci przeciwbieżnych linii spiralnych. Możliwą postacią osnowy jest także struktura łusek lub oczek wzajemnie na siebie nachodzących w jednej lub kilku warstwach. Poprzez odpowiedni dobór ilości warstw osnowy, grubości warstwy osnowy oraz jej struktury, przykładowo skoku spirali, można uzyskać opt ymalne, pożądane parametry termoizolacyjności i elastyczności dostosowane do danego zastosowania. Ogólna prawidłowość w kompozycie według wynalazku polega na tym, że im większą ilość materiału osnowy zostanie zastosowana w proporcji całego kompozytu tym większa będzie jego elastyczność ale gorsza termoizolacyjność i odwrotnie.

PL 225 352 B1

Struktura osnowy powoduje, że warstwy zewnętrzne osnowy będą się w trakcie zginania bardziej rozciągać niż wewnętrzne warstwy osnowy. Będzie to skutkowało powstaniem „większych oczek” w zewnętrznych warstwach osnowy, czyli im dalej od rury medialnej tym szersze będą paseczki materiału termoizolacyjnego przykładowo poliuretanu.

Sposób wytwarzania materiału kompozytowego według wynalazku polega na tym, że na wewnętrzną rurę medialną nakładana jest osnowa (zbrojenie) wykonana z materiału elastycznego korzystnie polietylenu. Następnie na taką strukturę nakładana jest osłonowa, zewnętrzna rura karbowana a w następnej kolejności do środka przewodu, to jest pomiędzy rurę medialną a rurę osłonową, wprowadzany jest materiał termoizolacyjny korzystnie poliuretan, przykładowo metodą wtryskiwania. Materiał termoizolacyjny otacza wewnętrzną rurę medialną i wypełnia puste przestrzenie osnowy. Taka metoda wytwarzania powoduje, że poprzez nałożenie osnowy na rurę medialną zapewniony j est kołowy przekrój poprzeczny całego przewodu oraz współosiowość całej struktury kompozytu.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania został uwidoczniony na rysunku na którym fig. 1 uwidacznia przekrój poprzeczny przez przewód zaizolowany kompozytem według wynalazku w widoku izometrycznym w wariancie ze zbrojeniem siatkowym; fig. 2 uwidacznia przekrój poprzeczny przez przewód zaizolowany kompozytem według wynalazku w widoku izometrycznym z podwójnym zbroj eniem siatkowym; fig. 3 uwidacznia przekrój przez przewód zaizolowany kompozytem według wynalazku w widoku z boku w wariancie ze zbrojeniem wykonanym z elementów łuskowych.

Materiał kompozytowy do izolacji termicznej przewodów, zwłaszcza grzewczych. Materiał kompozytowy otacza wewnętrzną rurę medialną 1. Kompozyt zbudowany jest z warstwy termoizolacyjnej 2, która jest zaopatrzona w elastyczną osnowę 3 w postaci siatki utworzonej z czterech warstw krzyżujących się elastycznych polietylenowych żyłek mających kształt przeciwbieżnych spiral o dużym skoku i przecinających wzdłużną oś przewodu. Całość przewodu zamknięta jest otaczającą warstwę term oizolacyjną zewnętrzną rurą osłonową 4.

W drugim przykładzie wykonania osnowa 3 ma formę kostek o kształcie ostrosłupa ściętego 5 ułożonych podstawą w kierunku zewnętrznym.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest to, że przestrzenna struktura z siatką miejscowych osłabień materiału o wysokiej izolacyjności, powoduje w wyniku nadmiernego przegięcia izolowanego przewodu, powstanie szeregu planowanych mikropęknięć, dodatkowo izolowanych sprężystą strukturą osnowy wykonanej przykładowo ze spienionego polietylenu. Bardzo istotną cechą wyróżniającą to rozwiązanie jest to, że w przewodzie według wynalazku nie występuje koncentracja naprężeń punktowych, lecz naprężenie jest rozkładane na dłuższy odcinek przewodu, uelastycznionego siatką osnowy. W konsekwencji zastosowanego rozwiązania unika się sytuacji w której rurka wykonana ze sztywnego poliuretanu łamie się w jednym, lub kilku przypadkowych miejscach. Zamiast tego wywołuje się efekt zbliżony do łamania tabliczki czekolady, kiedy to mikropęknięcia powstają w z góry zdefiniowanych miejscach i są wypełnione materiałem osnowy.

Claims (4)

1. Materiał kompozytowy do izolacji termicznej przewodów składający się warstwy termoizolacyjnej o niskim współczynniku przewodzenia ciepła, znamienny tym, że warstwa termoizolacyjna (2) zaopatrzona jest w osnowę (3), mającą postać przestrzennej struktury, otaczającej wewnętrzną rurę medialną (1).

2. Materiał kompozytowy, według zastrz. 1, znamienny tym, że osnowa (3) ma postać przestrzennej, warstwowej struktury w formie siatki utworzonej przez krzyżujące się spiralne profile ułożone przeciwbieżne względem siebie.

3. Materiał kompozytowy, według zastrz. 1, znamienny tym, że osnowa (3) ma postać przestrzennej, warstwowej struktury w formie oddzielnych elementów (5) rozdzielonych materiałem termoizolacyjnym (2).

4. Sposób wytwarzania materiału kompozytowego do izolacji termicznej przewodów, znamienny tym, że na wewnętrzną rurę medialną (1) nakładana jest przestrzenna osnowa (3) wykonana z materiału elastycznego korzystnie polietylenu, następnie na taką strukturę nakładana jest zewnętrzna rura osłonowa (4) a w następnej kolejności do środka przewodu, to jest pomiędzy rurę medialną (1) a zewnętrzną rurę osłonową (4) wprowadzany jest materiał termoizolacyjny (2) korzystnie poliuretan.